土壤耕整联合机械具有高效、低耗、进地次数少等优点,在农业工程领域得到广泛应用。但在工作过程中其重要触土部件旋耕刀易出现土壤粘附、茎秆缠绕等问题导致工作阻力增加,刀具寿命降低。为减小旋耕刀工作阻力,进行结构优化设计。提高土壤耕整联合机械的可靠性、改善土壤结构与旋耕刀的工作寿命,具有重要的现实意义。以安哥拉兔爪趾为生物原型,开展IT245型刀座式旋耕刀的仿生设计研究。重构爪趾曲面并分析结构,提取特征曲线设计仿生旋耕刀,利用有限元软件分别进行国标旋耕刀、仿生旋耕刀在土壤中作业的仿真。通过对比分析仿生旋耕刀是否达到减阻的目的。主要研究内容如下:首先,利用粘性物质固定爪趾后使用三维激光扫描仪获取兔子爪趾的三维数据。在CATIA软件中,通过交线构造曲面与点云拟合曲面分别重构爪趾曲面。进行曲面的法向距离、高斯曲率、斑马线分析。结果表明交线构造的曲面与原始点云最大误差为0.254mm,相比点云拟合曲面的0.341mm曲面质量更高。同时分析发现爪趾前端轮廓线和爪趾背面脊线具有特殊结构可以应用于旋耕刀设计。通过多项式拟合出相关系数在0.996以上的曲线方程。然后,在CATIA软件中根据国标尺寸构建国标旋耕刀三维模型。利用两条特征曲线,以爪趾背面脊线替换国标旋耕刀侧切刃曲线,爪趾前端轮廓线创建锯齿,形成锯齿刀刃,构建仿生旋耕刀三维模型。最后,在HyperMesh软件中建立国标旋耕刀-土壤有限元模型和仿生旋耕刀-土壤有限元模型,通过LS-DYNA求解器计算刀具与土壤的接触过程。结果表明旋耕刀从侧切刃起始点开始向正切刃方向切削,且受到的应力逐渐减小。旋耕刀小孔位置的应力一直处于较大水平,易发生应力集中现象,正切刃受到的应力始终是刀具上最小的。仿生旋耕刀在土壤中工作受到的最大阻力与国标旋耕刀相比降低58N,减阻率达到17.8%,刀具受到的最大扭矩值也减小了44.9Nm,因此旋耕刀的仿生设计达到了良好的减阻节能效果。